CN108146221B - 一种具有一体化转向节端盖的电动轮及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有一体化转向节端盖的电动轮及车辆，一体化转向节端盖包括电机端盖、上转向节、下转向节、电机接线盒、连接螺栓等，该装置集成了电机轴承支撑、电机水套安装、电机接线安装、电动轮地面载荷传递、电动轮转向和悬架的安装、制动器安装等功能，减小了电动轮体积和重量，该装置集成度高、结构紧凑，尤其适合大转矩、重载荷的采用电动轮驱动的重型特种车辆应用。

Description

一种具有一体化转向节端盖的电动轮及车辆

技术领域

本发明属于电动汽车电驱动技术领域，具体地涉及一种具有一体化转向节端盖的电动轮，以及具有其的车辆。

背景技术

电动轮技术也被称为车轮内装电机技术，该电机也称轮毂电机，最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内，得以将电动车辆的机械部分大为简化，相比其他驱动形式，具备传动链短、传动效率高、布置灵活等居多优势。采用电动轮技术的电动车辆在车辆总布置、动力性表现和控制等性方面的明显优势使其受到学术界和产业界的普遍关注。

针对电动汽车，尤其是大吨位，其车辆承载、动力需求和轮毂轴向和径向空间有严格限制，外转子轮毂电机转矩能力有限，重量大导致簧下质量增加影响车辆高速行驶性能，采用现有外转子轮毂电机无法满足车辆所需牵引特性，所以选用高速内转子电机，并在车轮与电机之间安装大变比减速器的轮毂电机方案更适合。专利CN103328247A提出了一种轮毂电机驱动装置，但没有明确所用的减速机构且该装置轴向尺寸和体积都比较大。为实现大速比减速器，现有技术通常采用多级行星减速技术方案，其减速器所占轴向尺寸大、轮毂制动器布置困难，而从电机轴端布置制动器，要求制动器转速高导致寿命降低。而且对于车用的电动轮，其表面需要安装转向节、接线盒、转向臂等结构，使用传统电机端盖的螺栓连接方式具有占用空间大、结构复杂、强度不足等问题。

发明内容

为了克服现有技术和方案的不足，本方案集成了电机端盖、上转向节、下转向节、电机接线盒，包含了电机轴承支撑、电机水套安装、电机接线安装、转向臂安装、悬架的安装和制动器安装等接口。其具有以下有益效果：

1、集成度高、结构紧凑，通过一体化集成设计，在单零部件上布置了多种接口，在控制成本的同时，减小了体积和重量、避免了多余连接、提升了强度和可靠性。

2、在车辆驱动、制动和转向时实现了电机动力、轮毂制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递。

3、尤其适合大转矩、重载荷的采用电动轮驱动的重型特种车辆应用。

本发明方案如下：

一种具有一体化转向节端盖的电动轮，

包括轮毂电机、转向节端盖、电机轴身端盖法兰、轮毂电机外壳、轮毂组件和轮辋组成；所述轮毂组件包括内筒状部、外筒状部和轮毂，内筒状部和所述电机轴身端盖法兰固定连接，外筒状部和轮毂固定连接，所述外筒状部相对于所述内筒状部可转动地连接；所述轮毂与轮辋固定连接，所述电机轴身端盖法兰通过轮毂电机外壳与转向节端盖固定连接；所述转向节端盖一体化集成了电机端盖、转向节和车轮转向臂安装接口。

整车施加在悬架的力，依次经过转向节端盖、轮毂电机外壳、电机轴身端盖法兰、传递至内筒状部和外筒状部进行分流，再汇聚至轮毂，最终传递至轮辋，以此实现电动轮的承载力传递。

地面作用于轮辋的力，经由轮毂传递至内筒状部和外筒状部进行分流，再汇聚至电机轴身端盖法兰，依次经轮毂电机外壳、电机转向节端盖和转向节传递至悬架。

所述转向节包括上转向节和下转向节，上转向节和下转向节的销孔中心在一条直线上，转向节绕该直线转动，该直线相对于电动轮垂直方向倾斜。

上转向节通过球销与悬架上摆臂连接；下转向节与悬架下摆臂和转向臂连接。

电机端盖还连接有电机接线盒，电机端部接线盒沿电机轴向方向从电机转向节端盖端部出线。

电机端盖还预留了轮边制动器安装接口。

轮毂电机外壳集成电机水套。

电机端盖的圆周位置比中间位置厚，上转向节、下转向节厚度沿电机轴向方向逐渐变薄，下转向节与电机端盖过渡位置要比上转向节与电机端盖过渡位置厚。

本发明还涉及包含如上所述的电动轮的车辆。

附图说明

图1为本发明电动轮示意图

图2为本发明电动轮爆炸图

图3为本发明电动轮装配示意图

图4为本发明电动轮装配剖视图

图5为本发明电动轮装配剖视图

图6为本发明一体化转向节端盖的装配示意图

图7为本发明一体化转向节端盖有限元应力和应变图

图8为本发明电动轮各力传递路线示意图

其中8(a)轮毂电机驱动力或电制动力传动路线；8(b)轮毂制动器动力传递路线；8(c)电动轮承载力或地面对轮辋作用力传递路线

图9为本发明所述轮毂轮辋结构剖视图

图10为本发明所述轮毂轮辋结构爆炸图

图11为本发明所述轮毂结构示意图

图中：

1-轮辋，101-外轮辋，102-内轮辋，103-轮辋螺栓安装扩口，104-轮毂螺栓安装口，105-轮胎气门芯位置孔，

2-行星减速器，3-轮毂，4-轮毂制动器，41-制动盘，

5-电机轴身端盖法兰，51-电机轴身端盖连接螺栓，

6-轮毂电机，61-轮毂电机外壳，62-接线盒，63-轮边制动器，

7-转向节端盖，71-上转向节，72-下转向节，8-悬架摆臂，

9-轮毂轴承，10-轮毂电机转子轴，

21-太阳轮，22-行星架，23-齿圈，12-齿圈固定架，

13-内筒状部，14-外筒状部，15-转向臂。

具体实施方式

非特殊说明，本发明中内外侧方向相对于车辆整体来说，不论是车辆左侧还是右侧电动轮，皆指沿轮轴方向靠近车辆中心一侧为内侧，远离车辆中心一侧为外侧。

本发明的电动轮可以应用于电动驱动式的各种车辆，应用于电动来给予辅助动力的情况，如燃料电池汽车或电动汽车等的四轮机动车。尤其适用于大转矩、重载荷的电动车辆。但本发明不限于两轮机动车，高尔夫球场车或是老年人或残疾人使用的三轮或四轮车，在建筑工地或运输行业中的中、重型载货商用车，以及履带车辆等。

图1-5所示本电动轮方案由轮毂电机6、行星减速器2、轮毂组件和轮辋1组成。

轮辋1上安装车辆轮胎。

所述行星减速器2位于所述轮毂组件外侧；所述轮毂电机6外侧通过电机轴身端盖法兰5连接所述轮毂组件；所述轮毂电机6内侧连接转向节端盖7；所述转向节端盖7连接车辆悬架的悬架摆臂8。

所述行星减速器2包括太阳轮21、行星架22和齿圈23以及齿圈固定架12，所述行星减速器2的输入为太阳轮21，输出为行星架22；行星减速器2连接于电机转子轴10与轮辋1之间；行星减速器2采用一级大变比减速，实现高速电机和低速轮辋1之间转矩和转速匹配，太阳轮21与轮毂电机转子轴10连接，行星架22与轮辋1通过螺栓固定连接。齿圈固定架12的外端与齿圈23固定连接，齿圈固定架12内端与内筒状部13固定，内筒状部13和电机轴身端盖法兰5固定连接，可见齿圈23通过齿圈固定架12固定在电机轴身端盖法兰5上，实现其与电机外壳61相对固定连接，实现齿圈23轴向和周向定位。齿圈23的齿轮由与行星轮啮合的第一齿轮和与齿圈固定框架外端啮合的第二齿轮组成。行星减速器2中的太阳轮21、行星轮和齿圈23采用斜齿轮，行星轮通过与齿圈23、太阳轮的齿轮啮合实现自动轴向定位并处于一种轴向浮动状态，以保证减速行星减速器良好的啮合状态和承载能力。

轮毂电机6电磁转矩经过行星减速器2减速增扭后将动力传递给轮辋1，实现驱动或电制动车轮。驱动时动力传递方向为太阳轮21输入，行星架22输出；电制动时动力传递方向为行星架22输入，太阳轮21输出。

所述电机转子轴10是轮毂电机输出轴，所述电机转子轴10与所述行星减速器2的太阳轮21通过半轴连接；所述半轴通过两端部的花键分别与太阳轮的内花键孔齿轮和电机转子轴10连接。

所述轮毂3与行星减速器2的行星架22、轮辋1固定连接。

更优化的，电动轮还包括轮毂制动器4，所述轮毂制动器4位于所述电机轴身端盖法兰5、所述轮毂3和所述轮辋1围成空间内。轮毂制动器4的壳体连接于轮毂电机轴身端盖法兰，轮毂制动器4的制动盘41与轮毂3固定连接。轮毂制动器采用大转矩低转速制动器，优选为气动全盘式制动器，制动器的制动盘41固定连接在轮毂3上的连接方式优选为圆柱型销，制动盘41在圆柱型销上可以轴向移动。

更优化的，所述轮毂3与行星架22、轮辋1，以及轮毂制动器4的制动盘41固定连接，优选地，轮毂3与行星架22、轮辋1以及轮毂制动器4在同一位置通过同一连接件连接。

轮毂制动器4由制动器壳体、制动盘41、摩擦片、制动副动作机构组成；其中制动器壳体通过一组螺栓与电机轴身端盖法兰5固定连接，其为固定件，不发生转动；制动盘41通过圆柱型销或者花键与轮毂3连接，为旋转件；摩擦片通过花键或滑轨支撑在制动壳体内；轮毂制动器动作机构内有活塞和油腔或气室以及回位机构如回位弹簧，当高压液压油或气体或者流经油腔或气室，其作用于活塞产生轴向推力，使得摩擦片与制动盘41压紧，产生摩擦转矩，阻碍轮毂3旋转，完成轮辋1制动功用。

轮毂组件连接于轮辋1和电机轴身端盖法兰5之间，轮毂组件包括轮毂3、内筒状部13、外筒状部14和轮毂轴承9。内筒状部13和电机轴身端盖法兰5固定连接，内筒状部13和电机轴身端盖法兰5可以是分体部件，也可以是一体成型部件。

所述传动半轴位于内筒状部13内，太阳轮通过位于内筒状部13内的传动半轴与电机转子轴连接；内筒状部13位于外筒状部14内；外筒状部14和轮毂3固定连接，外筒状部14和轮毂3可以是分体部件，也可以是一体成型部件。所述外筒状部14相对于所述内筒状部13可转动地连接，所述内筒状部13和所述外筒状部14之间布置轮毂轴承9，轮毂轴承9采用水平布置的两个圆锥滚子轴承，轮辋1中心线落在两个圆锥滚子轴承之间，对于有其他应用要求的，也可选用其他轴承。内筒状部13还支撑行星减速器2齿圈固定架12。

所述轮毂组件通过所述电机轴身端盖法兰5与所述轮毂电机外壳61连接。

本方案的轮毂电机6位于转向节端盖7、电机轴身端盖法兰5与轮毂电机外壳61包围形成的空间。轮毂电机6为内转子高速电机，基于电磁学原理，当电机定子绕组有设计的电流通过时，电机转子和定子通过电磁作用产生预期的电磁转矩，驱动电机转子转动，带动轮毂电机转子轴转动输出动力。轮毂电机6包括电机定子、电机转子、轮毂电机外壳61/电机水套、轮毂电机转子轴10、电机轴身端盖法兰5和电机转向节端盖7，轮毂电机6转子产生的电磁转矩，通过轮毂电机转子轴10传递给行星减速器2的太阳轮21；电机轴身端盖法兰5通过两个对置的轮毂轴承9、内筒状部13和外筒状部14支撑在轮毂3上，并通过内筒状部13支撑行星减速器2齿圈固定架12。电机外壳61位于电机轴身端盖法兰5和电机转向节端盖7之间，电机轴身端盖法兰5和电机转向节端盖7分别与轮毂电机外壳61固定连接，该电机外壳61集成电机冷却水路，该情况下电机外壳也被称为电机水套。

电机转向节端盖7连接车辆悬架，如同6所示，其一体化集成了电机端盖、上转向节、下转向节和车轮转向臂安装接口。上转向节和下转向节分布在电机端盖边缘，其中悬架上下摆臂连接上、下转向节，从而实现电机和悬架摆臂的连接，上转向节和下转向节的销孔中心线在一条直线上，转向节可以绕该直线转动，该直线与电动轮垂直方向保持一定倾斜角。上转向节通过球销与悬架上摆臂连接；下转向节通过球销与悬架下摆臂和转向臂连接。

在电机转向节端盖7的端面有电机接线盒62，同时为了减小电机轴向长度和电机轴身侧空间限制，电机端部接线盒62的出线沿电机轴向方向从该电动轮端部出线，具体地出线沿电机轴向方向从电机转向节端盖7端部出线。

对于制动力不足需要安装多个制动器的情形，还预留了轮边制动器63安装接口。由于轮毂电机6端部中心位置连接轮边制动器63，接线盒62安装在轮边制动器63径向外侧靠近电机转向节端盖7边缘处。

地面作用在电动轮轮辋1上的载荷由轮毂电机外壳61或电机水套传递到电机端盖，再由电机端盖边缘的上转向节和下转向节传递到相应悬架摆臂，如图7所示电机端盖的边缘圆周方向厚度比中间厚，上转向节和下转向节的厚度沿电机轴向方向逐渐变薄，且由于下转向节比上转向节承载大，并附转向臂转矩，所以下转向节与电机端盖过渡处材料厚度比上转向节与电机端盖过渡处材料厚；上转向节销孔上表面连接悬架上摆臂球销，下转向节销孔上表面连接悬架下摆臂球销，下表面连接转向臂，悬架上、下摆臂球销在上、下转向节内可以沿水平方向旋转和上下跳动，电机端盖形状还结合车车轮转向和悬架跳动范围确定，保证消除运动干涉。

本发明通过上述力传递方式，在车辆驱动、制动和转向时实现了电机动力、轮毂制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递。

结合车辆行驶工况，采用有限元分析手段，对本发明电机转向端盖各受力部分结构强度和刚度进行验证，如图7所示；分析方法是在上下转向节固定，选取最为恶劣的2种工况，分别是车辆地面冲击载荷，取3倍静载，以及车辆转向时侧向最大加速度0.65g，通过轮毂电机外壳/电机水套作用在电机转向节端盖7上，从电机转向节端盖7应力和应变图上可以看出，应力和应变分布较为合理，该装置在结构上满足承载要求。

本方案的行星架22、齿圈固定架12、内筒状部13、电机轴身端盖法兰5、电机外壳61、电机转向节端盖7，以及悬架摆臂8之间固定连接，行星架22、齿圈固定架12、内筒状部、电机轴身端盖法兰5、电机外壳61、以及电机转向节端盖7由于与悬架摆臂8连接而不会发生沿车轮轴的旋转运动。

车辆驱动时，依据选定的整车控制策略，整车给轮毂电机6定子绕组充电，与转子作于产生电磁转矩，通过轮毂电机转子轴10将动力传递给行星减速器2、太阳轮21，经行星减速器2减速增扭后由行星架22将动力传递给轮毂3和轮辋1，驱动车轮。

一、轮毂电机驱动力传递路径，如下：

见图8(a)，作用在轮辋1上的驱动力由轮毂电机6产生，电机转子轴10输出的动力经过半轴连接到行星减速器2的太阳轮21上，经过行星减速器2的减速增扭，由行星架22传递至轮辋1最终作用于车轮，实现轮毂电机驱动车轮转动。

二、制动力传递路径，如下：

对于电动车辆，作用在轮辋1上的制动力由轮毂制动器4和轮毂电机6共同提供，其中轮毂制动器4产生机械制动力，轮毂电机6产生电制动力。电驱动车辆高速行驶时轮辋1制动力主要由电制动力提供，车辆低速行驶时由电制动力和机械制动力两者共同提供，通过控制轮毂制动器4和轮毂电机6的介入时间和强度实现机械制动力和电制动力合理高效分配，在保证车辆制动安全前提下最大回收电制动产生的电能。

车辆制动时，依据选定的整车控制策略，当车辆行驶速度高于某一车速时和制动踏板动作满足一定条件，首先由轮毂电机6产生电制动转矩，通过半轴、行星减速器2太阳轮21、齿圈到轮毂3，最后作用在轮辋上，起到制动轮辋1的功用；当车辆行驶速度低压某一车速，和制动踏板动作满足一定条件，轮毂制动器4和轮毂电机6都投入工作，轮毂3机械制力通过轮毂3与轮毂3上传递过来的电机电制动力共同作用轮辋1，完成轮辋1的机电联合制动；当车辆速度低于某一车速或者制动踏板动作满足一定条件，电制动力撤销，仅由轮毂制动器4产生制动力作用与轮辋1，完成车辆的制动；

机械制动力传递路径见8(b)：轮毂制动器4的制动盘41与轮毂3固定连接，轮毂制动器4的壳体连接于电机轴身端盖法兰5，实现了轮毂制动器4产生机械制动力直接作用到轮毂3上并传递给车轮；

电制动力传递路径见图8(a)：其与驱动力传递路径相同，轮毂电机6产生电制动力依次经过电机转子轴10、半轴、太阳轮21、行星架22传递至轮辋1，最终作用于车轮。

三、整车垂向载荷、电动轮的承载力传递路径见图8(c)，如下：

整车施加在悬架的力，依次经过悬架摆臂、电机转向节端盖7、轮毂电机外壳61、电机轴身端盖法兰5、传递至内筒状部13和外筒状部14进行分流，再汇聚至轮毂3，最终传递至轮辋1，以此实现电动轮的承载力传递。

由于承载力在车轴附近由内筒状部13和外筒状部14进行分流，减小了内筒状部13和外筒状部14的承载负荷，提高了传动部件可靠性，由于内筒状部13和外筒状部14共同承载上述整车垂向载荷，实现本方案适用于重型电动车辆。

四、地面作用于轮辋1的力传递路径参图8(c)，如下：

地面作用于轮辋1的力，经由轮毂3传递至内筒状部13和外筒状部14进行分流，再汇聚至电机轴身端盖法兰5，依次经轮毂电机外壳61和电机转向节端盖7、悬架摆臂传递至悬架。

由于地面作用于轮辋1的力由内筒状部13和外筒状部14进行分散，减小了内筒状部13和外筒状部14的承载负荷，提高了传动部件可靠性，由于内筒状部13和外筒状部14共同承载上述地面作用于轮辋1的力，实现本方案适用于重型电动车辆。

本发明在车辆驱动、制动和转向时实现了电机动力、轮毂制动器动力、转向动力、整车垂向载荷和地面对轮辋的作用力合理传递；并在电动轮力合理传递基础上，采用了一级大变比行星减速技术、全盘式轮毂制动技术，大幅减小了部件轴向尺寸，提高了传动部件可靠性、减小了电动轮重量，提高了传动效率，特别适合于重型电动车辆。

本发明另一实施方式中，本发明的轮辋连接结构如下：

如图9-11，轮辋包括外轮辋101和内轮辋102。内轮辋具有朝向车轮中心的凸缘状的内轮辋安装法兰，所述外轮辋具有朝向车轮中心的凸缘状的外轮辋安装法兰。

在外轮辋101、内轮辋102的同一圆周上均布两组彼此相间的螺栓孔，分别是轮辋螺栓安装扩口103和轮毂螺栓安装孔104。

所述内轮辋安装法兰内侧依次设置行星架安装法兰和轮毂的连接端面；行星架安装法兰和轮毂的连接端面的相同半径的圆周上均布两组彼此相间的轮辋螺栓布置扩口和轮毂螺栓沉头孔。

其中轮辋螺栓连接内、外轮辋；轮毂螺栓连接内、外轮辋、行星架安装法兰和轮毂的连接端面。具体地，轮辋螺栓安装扩口103的中心和轮辋螺栓布置扩口的中心所在的轴向和径向位置相同；轮辋螺栓安装扩口位置安装轮辋螺栓，轮辋螺栓的螺栓头或其紧固螺母容纳在轮辋螺栓布置扩口形成的空间内，实现外轮辋101和内轮辋102的紧固连接。轮毂螺栓穿过轮毂螺栓安装孔104和轮毂螺栓沉头孔，实现外轮辋101、内轮辋102、行星架安装法兰和轮毂的连接端面的紧固连接，进而紧固轮辋、行星减速器行星架和轮毂。

其中轮毂电机动力通过轮毂电机转子轴10，经由半轴，至行星减速器2减速增扭后由行星架22传递到轮毂螺栓连接处，传递至轮毂3；机械制动力通过轮毂3将制动力传递到轮毂螺栓连接处，传递至轮毂3，地面对轮辋的载荷通过轮毂螺栓作用在轮毂3上，经内筒状部13、外筒状部14和轮毂轴承9支撑在电机轴身端部法兰5上。

为了便于轮胎充气，在轮毂螺栓和轮辋螺栓分布圆上还设置有轮胎气门芯安装孔位105，轮胎气门芯穿过该孔进行安装。

该实施例的有益效果是：通过两组螺栓的设计，既完成了内、外轮辋的紧固，也可靠固定连接了行星架法兰和轮毂；在更换轮胎时只需解除轮毂螺栓即可将轮辋拆下，实现轮辋维修方便性；在车辆行驶时两种螺栓共同作用于内轮辋和外轮辋，保证了力传动结构可靠性。

该轮辋连接方案解决了轮辋、轮毂和行星架连接力不足或轮辋不便于拆装的问题，结构紧凑，维修方便，适合采用电动轮驱动的重型车辆应用。

Claims (9)

1.一种具有一体化转向节端盖的电动轮，

包括轮毂电机、转向节端盖、电机轴身端盖法兰、轮毂电机外壳、轮毂组件和轮辋组成；

其特征在于：

所述轮毂组件包括内筒状部、外筒状部和轮毂，内筒状部和所述电机轴身端盖法兰固定连接，外筒状部和轮毂固定连接，所述外筒状部相对于所述内筒状部可转动地连接；

所述轮毂与轮辋固定连接，所述电机轴身端盖法兰通过轮毂电机外壳与转向节端盖固定连接；

所述转向节端盖一体化集成了电机端盖、转向节和车轮转向臂安装接口；

电机端盖的边缘圆周位置比中间位置厚，上转向节、下转向节厚度沿电机轴向方向逐渐变薄，下转向节与电机端盖过渡位置要比上转向节与电机端盖过渡位置厚。

2.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：所述转向节包括上转向节和下转向节，上转向节和下转向节的销孔中心在一条直线上，转向节绕该直线转动，该直线相对于电动轮垂直方向倾斜。

3.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：整车施加在悬架的力，依次经过转向节端盖、轮毂电机外壳、电机轴身端盖法兰、传递至内筒状部和外筒状部进行分流，再汇聚至轮毂，最终传递至轮辋，以此实现电动轮的承载力传递。

4.如权利要求1所述的电动轮，其特征在于：地面作用于轮辋的力，经由轮毂传递至内筒状部和外筒状部进行分流，再汇聚至电机轴身端盖法兰，依次经轮毂电机外壳、电机转向节端盖和转向节传递至悬架。

5.如权利要求1至4任一项所述的电动轮，其特征在于：上转向节通过球销与悬架上摆臂连接；下转向节与悬架下摆臂和转向臂连接。

6.如权利要求1至4任一项所述的电动轮，其特征在于：电机端盖还连接有电机接线盒，电机端部接线盒沿电机轴向方向从电机转向节端盖端部出线。

7.如权利要求1至4任一项所述的电动轮，其特征在于：电机端盖还预留了轮边制动器安装接口。

8.如权利要求1至4任一项所述的电动轮，其特征在于：轮毂电机外壳集成电机水套。

9.一种车辆，其特征在于包含如权利要求1-8任一项所述的电动轮。